Cientistas ‘programam’ bactérias vivas para armazenar dados

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Discos rígidos e unidades ópticas armazenam gigabits de dados digitais com o apertar de um botão. Mas essas tecnologias – como as fitas magnéticas e disquetes antes delas – estão aptas a se tornarem antiquadas e ilegíveis quando são ultrapassadas por novas tecnologias. Agora, os pesquisadores descobriram uma maneira de escrever eletronicamente os dados no DNA das bactérias vivas, uma opção de armazenamento que dificilmente se tornará obsoleta em breve.

“Este é um passo realmente agradável” que pode um dia estimular o desenvolvimento comercial, diz Seth Shipman, um bioengenheiro do Gladstone Institutes e da Universidade da Califórnia, São Francisco, que não estava envolvido no novo trabalho. Ele observa, entretanto, que as aplicações no mundo real estão muito longe.

O DNA é atraente para o armazenamento de dados por várias razões. Primeiro, é mais de 1000 vezes tão denso quanto os discos rígidos mais compactos, permitindo armazenar o equivalente a 10 filmes digitais completos dentro do volume de um grão de sal. E como o DNA é central para a biologia, espera-se que as tecnologias para lê-lo e escrevê-lo se tornem mais baratas e mais poderosas com o tempo.

O armazenamento de dados no DNA não é uma idéia nova. Para fazer isso, os pesquisadores normalmente convertem a seqüência de dados de um arquivo digital e zeros em combinações das quatro bases da molécula: adenina, guanina, citosina e timina. Eles então usam um sintetizador de DNA para escrever esse código no DNA. Mas a precisão da síntese de DNA diminui quanto mais tempo o código fica, então os pesquisadores tipicamente quebram seus arquivos em pedaços e os escrevem em fragmentos de DNA entre 200 e 300 bases. Cada trecho é dado um índice para identificar sua localização no arquivo, e os seqüenciadores de DNA então lêem os trechos para remontar o arquivo. Mas a tecnologia é cara, custando até US$ 3.500 para sintetizar 1 megabit de informação. E os frascos de DNA nos quais as informações são armazenadas podem se degradar com o tempo.

Para criar um meio duradouro e mais fácil de codificar, os pesquisadores estão agora trabalhando para escrever dados no DNA dos organismos vivos, que copiam e passam seus genes para a próxima geração. Em 2017, uma equipe liderada por Harris Wang, biólogo de sistemas da Universidade de Columbia, utilizou o sistema de edição de genes CRISPR para reconhecer um sinal biológico, como a presença da frutose do açúcar. Quando os pesquisadores adicionaram frutose às células da Escherichia coli, a expressão gênica aumentou em pedaços de DNA em forma de anel chamado plasmídeos.

Em seguida, os componentes CRISPR – que evoluíram para defender as bactérias dos invasores virais – cortaram o plasmídeo superexpressor em pedaços e alojaram parte dele em uma seção específica do DNA da bactéria que “se lembra” dos invasores virais anteriores. A parte genética inserida representava uma parte digital. Se o sinal da frutose estava ausente, a bactéria armazenou um bit aleatório de DNA, representando um zero digital. Seqüenciando o DNA da E. coli, revelou-se então se a bactéria foi exposta à frutose, através de um um ou zero.

Mas como esta configuração poderia armazenar apenas alguns bits de dados, Wang e seus colegas substituíram o sistema de reconhecimento de frutose por um que poderia codificar cadeias de informação mais longas: uma entrada eletrônica. Eles inseriram uma série de genes na E. coli que permitiu às células aumentar a expressão plasmídica em resposta a uma tensão elétrica. Assim como na configuração da frutose, um aumento na expressão fez com que a digital fosse armazenada no DNA da bactéria. Para ler os uns e os zeros, os pesquisadores simplesmente sequenciaram a bactéria.

Usando esta abordagem, Wang e seus colegas codificaram eletricamente até 72 bits de dados, para escrever a mensagem “Olá mundo!” que eles relatam hoje na Nature Chemical Biology. Eles também mostraram que poderiam adicionar E. coli com sua mensagem a uma mistura de micróbios normais do solo – e posteriormente sequenciar a mistura para recuperar sua mensagem armazenada.

Wang diz que ainda é cedo para o armazenamento de dados em organismos vivos. “Não vamos competir com os atuais sistemas de armazenamento de memória”, diz ele. Os pesquisadores também precisarão encontrar maneiras de evitar que suas mensagens se degradem à medida que as bactérias se reproduzem. Mas, pelo menos por enquanto, isso pode dar a James Bond uma nova ferramenta para esconder mensagens à vista de todos.

Referências

Scientists ‘program’ living bacteria to store data
https://www.sciencemag.org/news/2021/01/scientists-program-living-bacteria-store-data

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